图1 整体结构示意图
Fig.1 Overall structure
摘要 单支撑绝缘子是气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）中重要的绝缘支撑结构，其性能优劣影响着GIS运行的可靠性和稳定性。该文开展了1 100kV GIS用单支撑绝缘子的结构优化研究，选取绝缘子表面合成电场强度、绝缘子表面切向电场强度、金属嵌件表面合成电场强度作为性能指标，分析绝缘子伞裙和金属嵌件各自的关键结构参数对性能指标的影响规律，采用自适应变异的粒子群算法进行整体优化。在此基础上，提出了基于贝塞尔曲线的绝缘子表面轮廓描述方法，选取整体优化后电场畸变严重的绝缘子伞裙底部圆角结构开展局部精细化优化。优化结果与原始结构相比，金属嵌件表面电场强度下降24.2%，绝缘子表面合成电场强度下降25.6%，绝缘子表面切向电场强度下降22.6%。该文提出的参数整体优化和贝塞尔曲线局部精细化优化的分步优化方法，使特高压GIS用单支撑绝缘子的绝缘性能得到了显著提高，优化结果能够为GIS单支撑绝缘子的结构设计提供参考。
关键词：GIS 单支撑绝缘子 粒子群算法 贝塞尔曲线 结构优化
随着“碳达峰”和“碳中和”的逐步推进，我国对清洁能源的输送需求日益提升，对长距离、高电压等级的输电需求也日益增长[1-6]。气体绝缘金属封闭开关设备（Gas Insulated Switchgear, GIS）的安全可靠运行是保证电力稳定输送的重要因素[7-11]。GIS设备具有部件完全密封、不受外界环境干扰、运行可靠性高、灭弧能力强、维护周期长及运行可靠性高等优点[12-13]。随着我国电力系统不断发展，输送容量不断增大，更为苛刻的运行条件使GIS设备的绝缘故障时有发生[14-16]。绝缘子是GIS设备中的重要部件，其结构合理性、电场分布均匀性对其绝缘性能起到重要作用，对支柱绝缘子的绝缘结构优化是GIS设备设计的重要课题。
目前，国内外学者对GIS绝缘子结构优化设计的研究主要集中在电气、机械、热学多物理场耦合及其结构优化设计。文献[17]通过增加屏蔽罩的方式改变了盆式绝缘子的电场分布，减小了凹面的电场强度最大值。文献[18]采用自适应最优预后元模型优化算法对盆式绝缘子的轮廓进行重构，实现了电场和应力的优化。文献[19]对盆式绝缘子进行电-热-机多物理场的模拟仿真，采用径向基函数（Radial Basis Function, RBF）神经网络的方法对盆式绝缘子多物理场进行优化设计。文献[20]采用多种群遗传算法，对哑铃型三支柱绝缘子进行结构优化设计，提升GIS的性能。文献[21]应用遗传算法对盆式绝缘子的电气、热和机械性能进行了优化，最终在满足机械性能的前提下优化了电场。然而，GIS用单支撑绝缘子的结构特点使其不仅有多段圆弧相切的复杂轮廓，还需要考虑由于绝缘子伞裙可能带来的优化结构形态多样、待优化参数数量庞大、整体优化困难等问题；且单支撑绝缘子的参数化建模、多参数和多目标下的绝缘子整体绝缘性能提升方法，在现有文献中尚无可直接借鉴的经验。因此，开展单支撑绝缘子的绝缘结构分析与优化设计研究，提出合理可行、兼具效率的优化方法，可以为单支撑绝缘子结构设计优化提供依据，亦可为同类型绝缘子的改进提供参考。
本文以特高压GIS单支撑绝缘子为研究对象，提取特高压GIS单支撑绝缘子关键结构参数，分析了关键结构参数对绝缘子性能指标的影响规律；以绝缘子表面合成电场强度、切向电场强度及金属嵌件表面电场强度为目标，应用带有自适应变异的粒子群算法（Particle Swarm Optimization, PSO），整体优化设计了单支撑绝缘子，得到初步优化结构；针对初步优化后的绝缘子，应用贝塞尔曲线描述电场强度较高的伞裙底部圆角区域，通过改变样条曲线控制点的位置，开展绝缘子的局部精细化优化，最终实现绝缘子表面的合成电场强度、切向电场强度和金属嵌件表面电场强度的控制和优化。
应用有限元法建立了1 100kV特高压GIS单支撑绝缘子计算模型，整体结构示意图如图1所示。其中外壳与低压嵌件相连接；中心导体与高压嵌件相连接并导通电流；中心导体与外壳之间充SF6气体。根据静电屏蔽，本文计算过程中忽略了金属连接件的影响。取单支撑绝缘子绝缘材料和SF6的相对介电常数分别为5.0与1.0。根据特高压GIS型式试验的要求，中心导体加载2 400kV雷电冲击电压，低压嵌件和外壳接地。
图1 整体结构示意图
Fig.1 Overall structure
通过有限元计算，得到绝缘子切面电势和电场分布如图2所示。
由图2b可以看出，绝缘子内部的电场线分布在伞裙底部圆角半径上，圆角半径上绝缘子表面合成电场强度过大，且电场线基本平行于伞裙凹槽界面，伞裙凹槽的切向电场强度并不均匀，导致存在很大的切向电场强度。模型的原始结构嵌件表面电场分布、绝缘子表面合成电场分布及绝缘子表面切向电场分布如图3所示。
图2 绝缘子切面电势和电场线分布
Fig.2 Sectional potential and electric field distribution of insulator
图3 模型原始结构关键部位电场分布
Fig.3 Electric field distribution of key parts of the original structure of the model
如图3所示，原始结构的金属嵌件表面电场强度集中分布在嵌件的圆角上；绝缘子表面合成电场强度最大值出现在绝缘子伞裙底部的圆角半径上，合成电场强度的分布较为集中；绝缘子表面切向电场强度出现在距高电位最近的凹槽位置，且切向电场强度分布不均。基于此分析，从结构的角度出发进行绝缘子电场强度的优化。
根据单支撑绝缘子实际结构，各关键位置物理结构参数如图4所示。图4中R1为金属嵌件半径，R2为金属嵌件圆角半径，R3为绝缘子半径，L1为金属嵌件深度，L2为绝缘子伞裙深度，r1为绝缘子伞裙外半径，r2为绝缘子伞裙倒角半径，r3为绝缘子伞裙底部圆角半径，H1为绝缘子伞裙相对高压端嵌件距离，H2为绝缘子伞裙切向距离。为了更好地掌握绝缘子绝缘优化的方向，本文从上述参数进行分析，得到绝缘子电场优化方案。
图4 绝缘子各关键位置物理结构参数
Fig.4 Physical structure parameters of each key position of insulator
通过对原始结构的绝缘子进行电场仿真分析，可知金属嵌件表面电场强度最大值为23.1kV/mm；绝缘子表面合成电场强度最大值为20.7kV/mm；绝缘子表面切向电场强度最大值为11.4kV/mm。由于绝缘子表面切向电场强度和其他两个参数的数值相差较大，为了便于分析各个参数对电场强度的影响程度，定义参数kij为
（1）
式中，Eij为在计算第j个位置中的第i组的电场强度；Ejmin为在计算第j个位置所有组中的电场强度最小值。通过分析kij随着物理结构参数变化时的曲线，可以得到物理结构参数对电场的影响程度。
2.1.1 金属嵌件深度的影响
金属嵌件深度L1与kij的关系曲线如图5所示，随着金属嵌件深度L1的增大，金属嵌件表面电场强度、绝缘子表面合成电场强度和绝缘子表面切向电场强度均有所变大，金属嵌件表面电场强度和绝缘子表面切向电场强度最大值都接近线性变化，但金属嵌件表面电场强度增长程度小于绝缘子表面切向电场强度，金属嵌件表面电场强度和绝缘子表面合成电场强度变化趋势几乎一致。
图5 金属嵌件深度L1对kij的影响
Fig.5 Effect of metal insert depth L1 on kij
2.1.2 金属嵌件半径的影响
金属嵌件半径R1与kij的关系曲线如图6所示。随着金属嵌件半径R1的增大，金属嵌件表面电场强度减小，变化规律几乎线性；而绝缘子表面合成电场强度和绝缘子表面切向电场强度均变大，且绝缘子表面切向电场强度变化程度强于绝缘子表面合成电场强度。
图6 金属嵌件半径R1对kij的影响
Fig.6 Effect of metal insert radius R1 on kij
2.1.3 金属嵌件圆角半径的影响
金属嵌件圆角半径R2与kij的关系曲线如图7所示。随着金属嵌件圆角半径R2的增加，金属嵌件表面电场强度、绝缘子表面合成电场强度和切向电场强度均有不同程度的下降，其中金属嵌件表面电场强度下降最为明显，绝缘子表面合成电场强度和切向电场强度变化程度几乎一致。因此，在优化过程中，可以通过增大金属嵌件圆角半径来改善电场分布。
图7 金属嵌件圆角半径R2对kij的影响
Fig.7 Effect of fillet radius R2 of metal inserts on kij
2.1.4 绝缘子半径的影响
绝缘子半径R3与kij的关系曲线如图8所示。随着绝缘子半径R3的增加，金属嵌件表面电场强度增大，绝缘子表面合成电场强度和绝缘子表面切向电场强度减小。通过分析可得，绝缘子半径对三个指标的影响都很大，在优化中需要均衡考虑各个参数的影响。
图8 绝缘子半径R3对kij的影响
Fig.8 Effect of insulator radius R3 on kij
2.1.5 绝缘子伞裙外半径的影响
绝缘子伞裙外半径r1与kij的关系曲线如图9所示。随着绝缘子伞裙外半径r1的增大，金属嵌件表面电场强度减小，绝缘子表面合成电场强度增加，绝缘子表面切向电场强度呈现先减小后增加的趋势。在r1＜7mm的范围内，可认为绝缘子表面切向电场强度是单调递减的。因此，设计过程中需要考虑切向电场强度非单调变化的影响。
图9 绝缘子伞裙外半径r1对kij的影响
Fig.9 Effect of outside radius r1 of insulator on kij
2.1.6 绝缘子伞裙倒角半径的影响
绝缘子伞裙倒角半径r2与kij的关系曲线如图10所示。随着绝缘子伞裙倒角半径r2的增大，绝缘子表面合成电场强度和绝缘子表面切向电场强度均增大；但金属嵌件表面电场强度并没有很大的变化。因此，在设计中可以忽略绝缘子伞裙倒角半径r2对金属嵌件表面电场强度的影响，在保证机械强度的情况下，可以通过减小绝缘子伞裙的倒角，来获得较小的绝缘子表面合成电场强度和切向电场强度。
图10 绝缘子伞裙倒角半径r2对kij的影响
Fig.10 Effect of chamfer radius r2 of insulator umbrella skirt on kij
2.1.7 绝缘子伞裙深度的影响
绝缘子伞裙深度L2与kij的关系曲线如图11所示。随着绝缘子伞裙深度L2的增加，金属嵌件表面电场强度减小，绝缘子表面合成电场强度和切向电场强度均增大，其中金属嵌件表面电场强度和绝缘子表面切向电场强度均近似线性变化。因此，在金属嵌件表面电场强度满足要求且有一定裕量的情况下，可以通过减小绝缘子伞裙深度来进行优化。
图11 绝缘子伞裙深度L2对kij的影响
Fig.11 Effect of insulator umbrella skirtdepth L2 on kij
2.1.8 绝缘子伞裙相对高压端嵌件距离的影响
绝缘子伞裙相对高压端嵌件距离H1与kij的关系曲线如图12所示。随着绝缘子伞裙相对高压端嵌件距离H1的增加，金属嵌件表面合成电场强度和绝缘子表面切向电场强度减小，减小幅度不超过5%；但绝缘子表面合成电场强度增大。因此，金属嵌件表面电场强度和绝缘子表面切向电场强度变化程度比较小，设计中需要重视绝缘子伞裙相对高压端嵌件距离对绝缘子表面合成电场的影响。
图12 绝缘子伞裙与顶端距离H1对kij的影响
Fig.12 Effect of the distance H1 between the tip and the umbrella skirt of insulator on kij
2.1.9 绝缘子伞裙切向距离的影响
绝缘子伞裙切向距离H2与kij的关系曲线如图13所示。随着绝缘子伞裙切向距离的增大，金属嵌件表面电场强度与绝缘子表面切向电场强度均有小幅度减小，减小幅度不超过5%；绝缘子表面合成电场强度显著增大，且增大的程度近似线性变化。因此在结构优化设计过程中，在保证力学条件的基础上，适当减小伞裙的切向距离，能够降低绝缘子表面合成电场强度大小。
图13 绝缘子伞裙切向距离H2对kij的影响
Fig.13 Effect of tangential distance H2 of insulator umbrella skirt on kij
2.1.10 伞裙底部圆角半径的影响
伞裙底部圆角半径r3与kij的关系曲线如图14所示。随着伞裙底部圆角半径r3的增加，绝缘子表面合成电场强度大小有很大程度的下降，近似呈现线性变化；但是嵌件表面电场强度和绝缘子表面切向电场强度的大小基本不受影响。由此可见，绝缘子伞裙底部圆角半径对绝缘子表面合成电场强度影响较大，半径越大，绝缘子表面合成电场强度越小。
图14 伞裙底部圆角半径r3对kij的影响
Fig.14 Effect of skirt fillet radius r3 on kij
2.2.1 自适应变异的粒子群算法
从上述分析中可以看到，单支撑绝缘子关键位置的电场强度大小与绝缘子的结构参数关系复杂，对某一个参数进行调节会引起多个位置的电场强度变化。传统粒子群算法在全局搜索精度上存在一定缺点，易陷入局部最优。因此，可在传统粒子群算法基础上引入自适应变异算法，在每次粒子计算的过程中，随机地将粒子中某一维度的变量进行变异，从而提高所有粒子的全局搜索能力。本文利用带有自适应变异的粒子群算法进行辅助计算，随机概率设置为5%。除此之外，由于粒子群算法中惯性权重影响了搜索全局最优和局部最优的能力，惯性权重越高，全局搜索能力越强，为保证前期较高的全局搜索能力以及后期较高的局部收敛能力，本文采用权重线性递减策略。
自适应变异的粒子群算法流程如图15所示，具体步骤为：
（1）算法流程启动后，设置粒子群算法的参数，其中包括种群数目、学习因子、惯性因子以及最大迭代次数等。
图15 自适应变异的粒子群算法流程
Fig.15 Flow chart of particle swarm optimization with adaptive mutation algorithm
（2）随机生成粒子群，每一个粒子的参数都是在结构允许限定范围内的随机数。
（3）计算所有粒子对应的适应值。定义嵌件表面电场强度、绝缘子表面合成电场强度及绝缘子表面切向电场强度分别为E1、E2和E3，将三个电场指标的加权平均值作为适应值函数进行优化，则适应值fs表达式为
（2）
式中，α1、α2和α3为对应的电场强度权重。
（4）对当前的粒子群计算结果进行筛选，选择适应值最小的粒子作为局部最优粒子，将多次迭代中具有最小适应值的粒子作为全局最优粒子，对应的适应值作为全局最优适应值。
（5）对收敛条件进行判断，若满足迭代次数等于最大迭代次数或者全局最优适应值小于设定允许值，则跳出循环，优化完成；否则对当前粒子群的参数进行随机变异，经过粒子位置更新后再跳转至步骤（3），继续迭代计算，直至满足收敛条件。
2.2.2 参数优化结果
进行单支撑绝缘子参数优化时，软件的参数优化联合工作示意图如图16所示。本文的优化方案基于Matlab和COMSOL Multiphysics 5.6有限元仿真软件连接实现。首先在SolidWorks软件中将各个位置的结构参数写入方程式，再由COMSOL Livelink to SolidWorks接口连接COMSOL软件和SolidWorks软件，从COMSOL软件中使用SolidWorks建模内核从而改变仿真模型结构参数，同时使用COMSOL Multiphysics with Matlab接口，通过Matlab程序改变模型参数并实现自适应变异的粒子群算法，最终完成单支撑绝缘子的结构优化。
图16 软件的参数优化联合工作示意图
Fig.16 Schematic diagram of software parameter optimization joint work
通过上述参数结构与电场强度最大值的关系分析，可以将关键位置的物理结构参数进行优化，经过自适应变异的粒子群算法优化后，将优化后的结构在COMSOL中进行电场仿真分析。参数优化后绝缘子切面的电势和电场线分布如图17所示。
图17 参数优化后的绝缘子切面电势和电场线分布
Fig.17 Sectional potential and electric field distribution of insulator after parameter optimization
由图17b可以看到，绝缘子内部的电场线仍然集中在绝缘子底部圆角半径上，但与模型的原始结构相比，通过参数的优化，绝缘子内部的电场线走向发生了改变。
通过COMSOL仿真，得到模型参数优化后嵌件表面电场分布、绝缘子表面合成电场分布及绝缘子表面切向电场分布，如图18所示。从图18中可以看到，相比原始结构，参数优化后绝缘子关键位置的电场强度均有不同程度的降低，且绝缘子表面切向电场强度分布更均匀。但是绝缘子表面合成电场强度最大值仍然出现在绝缘子的圆角半径上，合成电场强度的分布较为集中，绝缘子结构还可以开展进一步精细化优化。
图18 模型参数优化后关键部位电场分布
Fig.18 Electric field distribution diagram of key parts after model parameter optimization
在第2节中虽然通过物理结构的参数整体优化，降低了绝缘子关键位置的电场强度，但由于伞裙底部圆角区域电场强度畸变仍然严重，可在整体优化后单独开展局部精细优化，使其电场强度指标进一步降低。以绝缘子底部凹槽和圆角结构为目标，在局部精细优化过程中，使用的目标函数仍然如式（2）所示，即三个电场强度参数的加权平均，从而避免削减全局优化带来的优化效果。优化时，采用贝塞尔样条曲线对绝缘子进行参数化建模，设置如图19所示的7个控制点绘制贝塞尔样条曲线。
图19 贝塞尔曲线控制点设置
Fig. 19 Fillet optimization control points
上述样条曲线控制单支撑绝缘子底部圆角的轮廓，x1～x4控制单支撑绝缘子圆角的形状，主要由x2和x3控制；x5～x7控制单支撑绝缘子最底部凹槽对应的内凹槽形状；x4和x5连线长度控制最底部凹槽的切向长度。
将参数整体优化的结果再次经过局部精细优化后，在COMSOL软件中对局部精细优化结构进行电场仿真，绝缘子切面的电势和电场线分布如图20所示。由图20b可以看到，绝缘子内部的电场线有了较大程度的改变，绝缘子底部圆角表面的电场线与切面形成了一定的夹角，减小了表面合成电场强度大小，绝缘子伞裙各个凹槽处的切向电场强度也更为均匀。
图20 局部精细优化后的绝缘子切面电势和电场线分布
Fig.20 Sectional potential and electric field distribution of insulator after fillet optimization
在COMSOL软件中对局部精细优化结构进行电场仿真，从而得到模型的原始结构嵌件表面电场分布、绝缘子表面合成电场分布以及绝缘子表面切向电场分布，如图21所示。
图21 局部精细优化后结构关键部位电场分布
Fig.21 Electric field distribution diagram of key parts of structure after fillet optimization
经过优化后，模型关键部位的电场强度都有很大程度的下降，绝缘子表面合成电场强度下降至17.6kV/mm，这得益于局部精细优化，将圆角和相邻凹槽部分由贝塞尔曲线等效并改变了模型结构。
从电场线角度来讲，经过局部精细优化后，会有更多的电场线从SF6气体中穿过，最终使得电场强度降低。根据多层介质电场理论，从极间电容的角度看，本文中设计的支柱绝缘子伞裙、SF6和绝缘子底部区域组成了多层介质。绝缘子截面如图22所示，其中，Hk为绝缘子底部厚度，Hr为绝缘子伞裙间隔长度。以图22中的虚线截面为基准，忽略绝缘子与嵌件连接处结构情况下，绝缘子介质分布如图23所示。
图22 绝缘子截面
Fig.22 Cross section of insulator
图23 绝缘子多层介质示意
Fig.23 Multi-layer dielectric of insulator
介质分界面的衔接条件为
（3）
式中，E1t和E2t为界面切向电场强度；D1n和D2n为界面法向电通量密度。在忽略绝缘子界面处介质切向电场强度的情况下，由于不存在面电荷，存在条件电导率σ=0，则在多层介质中有
（4）
式中，εn为第n层介质对应的相对介电常数；En为第n层介质对应的电场强度；dn为第n层介质对应的厚度；U0为所有介质两端的电势差。
解出上述方程，得到第a层的电场强度Ea与所有层的介电常数和介质厚度的关系式，即
（5）
从式（5）可以看到，在多层介质材料和两端电势差保持不变的前提下，等式右侧的分子是保持不变的。如果介质总厚度不变，将第a层介质的厚度减小Δd，将第b层介质的厚度增加Δd，则变化后第a层介质的电场强度为
（6）
通过式（6）可以看到，不改变总厚度的前提下，增加或者减少一层介质的厚度对电场强度的影响主要来源于被改变的多个介质层的相对介电常数的大小。将图23所示情况代入式（6）中，在优化中，将圆角弧度大幅度减小，等效于减少绝缘子底部Hk的长度，增加相邻空气域Hr的长度，将得到绝缘子底部介质的电场强度Ek为
（7）
式中，εk为绝缘子相对介电常数；εs为SF6的相对介电常数。由于绝缘子相对介电常数εk大于SF6的相对介电常数εs，则可说明，在优化中，大幅度减小圆角弧度可以减小电场绝缘子圆角部分的电场强度。
绝缘子原始结构、参数整体优化和局部精细优化的结构轮廓如图24所示。对比三种结构，对绝缘子表面合成电场和切向电场进行分析，选择的边为图24中的A点至B点，两点间电场强度曲线如图25和图26所示。
图24 三种结构轮廓图
Fig.24 Structure outline of three kinds
图25 三种结构绝缘子表面合成电场强度曲线
Fig.25 Composite electric field strength curve of insulator surface with three structures
三种结构的关键位置优化情况见表1。由表1可知，经过参数整体优化和局部精细优化后，单支撑绝缘子关键位置的电场强度都有所降低。基于多层介质理论，改变绝缘子底部圆角的形状后，金属嵌件表面电场强度下降24.2%，绝缘子表面合成电场强度下降25.6%，绝缘子表面切向电场强度下降22.6%，可见，该方法可以显著降低绝缘子表面电场强度。
图26 三种结构绝缘子表面切向电场强度曲线
Fig.26 Tangential electric field strength curve of insulator surface with three structures
表1 三种结构关键位置优化情况
Tab.1 Optimization of key positions of three structures
电场强度原始模型参数整体优化局部精细优化 数值/(kV/mm)数值/(kV/mm)优化程度(%)数值/(kV/mm)优化程度(%) 金属嵌件表面电场强度23.117.623.817.524.2 绝缘子表面合成电场强度20.716.918.415.425.6 绝缘子表面切向电场强度11.410.39.78.8222.6
本文分析了特高压GIS单支撑绝缘子结构参数对关键部位电场分布的影响程度，使用自适应变异的粒子群算法对结构开展了整体优化。进一步地，应用贝塞尔曲线描述绝缘子圆角结构，开展了局部精细优化，得到如下结论：
1）现有结构的单支撑绝缘子表面合成电场强度最大点出现在伞裙底部圆角上，切向电场强度最大点出现在距离高压端最近的凹槽处。绝缘子金属嵌件表面电场强度最大值相对较高，为23.1kV/mm，出现在边缘圆角处。
2）通过研究绝缘子结构参数对各电场强度最大值的影响规律发现，金属嵌件结构参数不仅影响其表面电场强度最大值，还将改变绝缘子表面电场分布；调整绝缘子伞裙距高压端距离、伞裙切向距离、底部圆角基本只改变绝缘子表面合成电场强度，其余参数对各性能指标均有不同程度影响。
3）应用自适应变异的粒子群算法对绝缘子结构进行整体参数优化后，绝缘子和嵌件交界面电场强度、绝缘子表面合成电场强度及切向电场强度均有所降低，但从电场分布来看，绝缘子表面合成切向电场强度仍然存在结构优化空间。
4）采用贝塞尔样条曲线等效圆角结构进一步对绝缘子局部进行精细优化，获得了单支撑绝缘子的改进结构，使绝缘子表面合成电场强度和切向电场强度明显降低。与原始结构相比，优化后的绝缘子各电场强度指标均下降了20%以上。由此可见，本文提出的整体优化和局部精细联合优化方案能够有效优化单支撑绝缘子结构，均匀绝缘子表面电场分布，可为特高压GIS用单支撑绝缘子的优化设计提供思路。
由于机械、热学等性能对绝缘子结构设计也至关重要，下一步，还将进一步开展考虑固化内应力、金属-环氧树脂复合材料粘接界面强度的绝缘子力学性能研究及裕度试验研究等。
参考文献
[1] 卫志农, 裴蕾, 陈胜, 等. 高比例新能源交直流混合配电网优化运行与安全分析研究综述[J]. 电力自动化设备, 2021, 41(9): 85-94.
Wei Zhinong, Pei Lei, Chen Sheng, et al. Review on optimal operation and safety analysis of AC/DC hybrid distribution network with high proportion of renewable energy[J]. Electric Power Automation Equipment, 2021, 41(9): 85-94.
[2] 李鹏, 王瑞, 冀浩然, 等. 低碳化智能配电网规划研究与展望[J]. 电力系统自动化, 2021, 45(24): 10-21.
Li Peng, Wang Rui, Ji Haoran, et al. Research and prospect of planning for low-carbon smart distribution network[J]. Automation of Electric Power Systems, 2021, 45(24): 10-21.
[3] 丁剑, 方晓松, 宋云亭, 等. 碳中和背景下西部新能源传输的电氢综合能源网构想[J]. 电力系统自动化, 2021, 45(24): 1-9.
Ding Jian, Fang Xiaosong, Song Yunting, et al. Conception of electricity and hydrogen integrated energy network for renewable energy transmission in Western China under background of carbon neutralization[J]. Automation of Electric Power Systems, 2021, 45(24): 1-9.
[4] 李璐伶, 樊栓狮, 陈秋雄, 等. 储氢技术研究现状及展望[J]. 储能科学与技术, 2018, 7(4): 586-594.
Li Luling, Fan Shuanshi, Chen Qiuxiong, et al. Hydrogen storage technology: current status and prospects[J]. Energy Storage Science and Technology, 2018, 7(4): 586-594.
[5] 李建林, 李光辉, 郭丽军, 等. “十四五”规划下氢能应用技术现状综述及前景展望[J]. 电气应用, 2021, 40(6): 10-16.
Li Jianlin, Li Guanghui, Guo Lijun, et al. Overview and prospect of hydrogen energy application technology under the 14th five year plan[J]. Electrotechnical Application, 2021, 40(6): 10-16.
[6] 刘鹏, 吴泽华, 朱思佳, 等. 缺陷对交流1100kV GIL三支柱绝缘子电场分布影响的仿真[J]. 电工技术学报, 2022, 37(2): 469-478.
Liu Peng, Wu Zehua, Zhu Sijia, et al. Simulation on electric field distribution of 1100kV AC tri-post insulator influenced by defects[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(2): 469-478.
[7] 钟建英, 陈刚, 谭盛武, 等. 高压开关设备关键技术及发展趋势[J]. 高电压技术, 2021, 47(8): 2769-2782.
Zhong Jianying, Chen Gang, Tan Shengwu, et al. Key technology and development trend of high-voltage switchgear[J]. High Voltage Engineering, 2021, 47(8): 2769-2782.
[8] 纽春萍, 矫璐璐, 王小华, 等. 基于多场耦合的环保型GIS热特性分析[J]. 电工技术学报, 2020, 35(17): 3765-3772.
Niu Chunping, Jiao Lulu, Wang Xiaohua, et al. Thermal characteristics analysis of environmentally friendly GIS based on multi-field coupling[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(17): 3765-3772.
[9] 张连根, 路士杰, 李成榕, 等. GIS中线形和球形金属微粒的运动行为和危害性[J]. 电工技术学报, 2019, 34(20): 4217-4225.
Zhang Liangen, Lu Shijie, Li Chengrong, et al. Motor behavior and hazard of spherical and linear particle in gas insulated switchgear[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(20): 4217-4225.
[10] 张连根, 路士杰, 李成榕, 等. 气体绝缘组合电器中微米量级金属粉尘运动和放电特征[J]. 电工技术学报, 2020, 35(2): 444-452.
Zhang Liangen, Lu Shijie, Li Chengrong, et al. Movement and discharge characteristics of micron-scale metal dust in gas insulated switchgear[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(2): 444-452.
[11] 齐波, 李成榕, 郝震, 等. GIS绝缘子表面固定金属颗粒沿面局部放电发展的现象及特征[J]. 中国电机工程学报, 2011, 31(1): 101-108.
Qi Bo, Li Chengrong, Hao Zhen, et al. Evolution phenomena and features of surface partial discharge initiated by immobilized metal particles on GIS insulators[J]. Proceedings of the CSEE, 2011, 31(1): 101-108.
[12] 黎斌. SF6高压电器设计[M]. 3版. 北京: 机械工业出版社, 2010.
[13] 李杰, 李晓昂, 吕玉芳, 等. 正弦振动激励下GIS内自由金属微粒运动特性[J]. 电工技术学报, 2021, 36(21): 4580-4589, 4597.
Li Jie, Li Xiaoang, Lü Yufang, et al. Motion characteristics of free metal particles in GIS under sinusoidal vibration[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(21): 4580-4589, 4597.
[14] 李庆民, 王健, 李伯涛, 等. GIS/GIL中金属微粒污染问题研究进展[J]. 高电压技术, 2016, 42(3): 849-860.
Li Qingmin, Wang Jian, Li Botao, et al. Review on metal particle contamination in GIS/GIL[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(3): 849-860.
[15] 陈懿, 王琳, 冉月. 一起220 kV GIS设备内部放电故障分析及处理措施[J]. 电力与能源, 2021, 42(3): 352-355, 367.
Chen Yi, Wang Lin, Ran Yue. Analysis and treatment measures for accident caused by internal discharge of 220 kV GIS[J]. Power ＆ Energy, 2021, 42(3): 352-355, 367.
[16] 彭家琦, 蒲寅, 刘军, 等. 一起110kV户外气体绝缘全封闭组合电器母线气室支撑绝缘子故障分析[J]. 电气技术, 2021, 22(3): 61-64.
Peng Jiaqi, Pu Yin, Liu Jun, et al. Analysis of a fault of supporting insulator for 110kV outdoor gas insulated switchgear bus gas chamber[J]. Electrical Engineering, 2021, 22(3): 61-64.
[17] 杜进桥, 张施令, 李乃一, 等. 特高压交流盆式绝缘子电场分布计算及屏蔽罩结构优化[J]. 高电压技术, 2013, 39(12): 3037-3043.
Du Jinqiao, Zhang Shiling, Li Naiyi, et al. Electric field distribution calculation and shielding electrode structure optimization of UHVAC basin-type insulator[J]. High Voltage Engineering, 2013, 39(12): 3037-3043.
[18] 姚永其, 王之军, 陈圣, 等.550 kV GIL盆式绝缘子及其组件结构优化设计[J]. 高压电器, 2021, 57(5): 50-57.
Yao Yongqi, Wang Zhijun, Chen Sheng, et al. Optimization design on insulating spacer and its assembly structure of 550 kV GIL[J]. High Voltage Apparatus, 2021, 57(5): 50-57.
[19] 张施令, 彭宗仁, 王浩然, 等. 盆式绝缘子多物理场耦合数值计算及结构优化[J]. 高电压技术, 2020, 46(11): 3994-4005.
Zhang Shiling, Peng Zongren, Wang Haoran, et al. Numerical calculation and structural optimization of multi-physical field coupling for basin insulator[J]. High Voltage Engineering, 2020, 46(11): 3994-4005.
[20] 吴泽华, 田汇冬, 王浩然, 等. 特高压GIL哑铃型三支柱绝缘子优化设计方法[J]. 电网技术, 2020, 44(7): 2754-2761.
Wu Zehua, Tian Huidong, Wang Haoran, et al. Optimization design method for UHVAC GIL dumbbell type tri-post insulators[J]. Power System Technology, 2020, 44(7): 2754-2761.
[21] 贾云飞, 高璐, 汲胜昌, 等. 基于有限元仿真和遗传算法的1100kV盆式绝缘子电气、机械性能综合优化[J]. 高电压技术, 2019, 45(12): 3844-3853.
Jia Yunfei, Gao Lu, Ji Shengchang, et al. Comprehensive optimization of electrical and mechanical performance of 1100kV basin-type insulator based on genetic algorithm and finite element simulation[J]. High Voltage Engineering, 2019, 45(12): 3844-3853.
Abstract With the gradual promotion of “peak carbon dioxide emissions” and “carbon neutrality”, the demand for long-distance and high-voltage power transmission is also growing. The safe and reliable operation of gas insulated switchgear (GIS) equipment is an important factor to ensure the stable transmission of power. Post insulator is an important insulation structure support for GIS, the performance affected thereliability and stability of GIS in operation. Its structural characteristics make it not only have complex contours tangent to multiple circular arcs, but also needs to consider its insulator umbrella skirt which may bring about various optimized structural forms, many parameters to be optimized, and difficulties in overall optimization. To address these issues, this paper proposes a method to optimize the design of insulation structure for the post insulator used in UHVAC GIS. The insulation performance of post insulators for UHVAC GIS is significantly improved by a multi-step optimization method of total parameter optimization and local refinement optimization of the Bessel curve.
Firstly, the finite element simulation calculation model of the 1 100kV UHVAC GIS post insulator is established, and the insulator electric field distribution under lightning surge voltage can be calculated and obtained. According to the actual structure of the post support insulator, the outer contour of the post insulator and the outer contour of the metal inserts are parameterized. The maximum value of the total and tangential electric field of the post insulator surface as well as the electric field strength of the metal insert surface are defined as optimization indexes, and the influence law of different structural parameters on the performance indicators is analyzed. Particle swarm optimization with adaptive mutation is used to optimize the parameters. After calculating the insulator's electric field distribution after the total parameter optimization, optimization indexes are reduced by more than 10% compared with the original structure. Based on this, local refinement optimization of the Bessel curve is used to carry out local optimization for the rounded bottom of the insulator umbrella skirt, where the field distortion is more serious. Compared with the original structure, the total and tangential electric field strength on the insulator surface of the optimized structure has been reduced by 25.6% and 22.6%. The insulation performance of post support insulators for UHVAC GIS has been significantly improved after the total parameter optimization and local refinement optimization.
The following conclusions can be drawn from the simulation analysis and structure optimization: ① the maximum value of the electric field strength of the existing post insulator appears at the rounded corner of the bottom of the umbrella skirt; the maximum value of the electric field strength on the surface of the metal inserts appears at the rounded corner of its edge.② The study of the law of insulator structure parameters on each electric field strength maximum found that the metal insert structure parameters not only affect its surface electric field strength maximum, but also will change the insulator surface electric field distribution; adjusting the insulator skirt distance from the high-voltage conductor, the tangential distance of the umbrella skirt, and the bottom rounded corner basically only change the insulator surface electric field strength, and the rest parameters have different degrees of influence on each performance index. ③ Using the multi-step optimization methods of total parameter optimization using particle swarm optimization with adaptive mutation and local refinement optimization of the Bessel curve, the improved structure of the post insulator of UHVAC GIS is obtained. Compared with the original structure, each electric field strength index of the optimized insulator is reduced by more than 20%.
Keywords：Gas insulated switchgear (GIS), post insulator, particle swarm optimization, Bezier curve, structural optimization
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211510
中图分类号：TM216
张语桐 男，1999年生，博士研究生，研究方向为电力设备绝缘结构优化设计、高压直流GIL电荷特性及放电特性等。E-mail：zhangyt2021@stu.xjtu.edu.cn
吴泽华 男，1995年生，博士研究生，研究方向为特高压交/直流GIS/GIL关键技术研究、电力设备绝缘结构设计及优化等。E-mail：zehua_wu@qq.com（通信作者）
国家电网公司科技资助项目（SGZJ0000KXJS1900410）。
收稿日期 2021-09-22
改稿日期 2022-02-07
（编辑 李冰）